Политех Петра Великого. Компьютерные технологии # Бионический дизайн
Ещё наука и инновации здесь и здесь, в т.ч. науч.-фант. прогресс
Бионический дизайн / Политех Петра Великого. Компьютерные технологии
Алексей Боровков об использовании элементов живой природы в проектировании сложных технических устройств и конструкций / Спецпроект Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого «Политех Петра Великого»
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого - национальный исследовательский университет, участник программы повышения международной конкурентоспособности университетов «5-100-2020». Политех Петра Великого, основанный в 1899 году, сегодня занимает ведущие позиции в мультидисциплинарных научных исследованиях, надотраслевых технологиях и наукоемких инновациях. ©Далее у Политеха: продолжение следует...
Миниатюрный автомобиль Cirin, при создании которого использовались принципы бионического дизайна / Фото: Max Greenberg
В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого мы публикуем рассказ кандидата технических наук Алексея Боровкова, посвященный новым техническим решениям, подсмотренным у живой природы.
Алексей Боровков - кандидат технических наук, доцент, проректор по перспективным проектам, профессор кафедры "Механика и процессы управления" СПбПУ.
Бионический дизайн - Алексей Боровков
___
- Прежде всего нужно разобраться с терминологией. Дизайн - это, конечно же, проектирование, создание сложных технических устройств, конструкций, элементов машин, деталей. В термине «бионический», безусловно, звучит какая-то связь с природой. Есть такая область знаний - бионика, где как раз пытаются объединить знания, полученные при изучении живой природы, и воплотить их в технических устройствах. Если смотреть более узко, то есть такие разделы, как биомиметика, биомимикрия, когда мы подглядели то или иное решение в живой природе и попытались воплотить его при создании новых технических решений, технических систем, конструкций.
Исторически все начинается с трактата Леонардо да Винчи «Кодекс о полете птицы». Дальше мы можем видеть в архитектуре очень много тех решений, которые архитекторы подглядели в живой природе. Одним из ярких классиков органической архитектуры является Антонио Гауди. Можно увидеть у него, например, крышу, очень похожую на плавные переходы у листа в живой природе.
Многие технические решения перешли из природы. Например, застежка-липучка пришла исключительно из живой природы. И этим занимается как раз биомиметика, биомимикрия. То есть мы подглядели те или иные решения у птиц и рыб, в живой и неживой природе, флоре и фауне и, соответственно, попытались их воспроизвести.
Однако гораздо более интересной, как сейчас бы сказали, проблемой вызова является создание таких элементов конструкций, машин, для которых мы первоначально не подглядели бы решения в природе, а получили бы эти решения, а потом увидели, что природа уже примерно что-то похожее изобрела. То есть мы должны получать более совершенные (или, как в науке говорится, оптимальные) формы, оптимальные конструкции - оптимальные с точки зрения условий их эксплуатации, нагружения, долговечности и так далее.
Одним из таких ярких примеров оптимальных конструкций являются наши костные ткани. Как они устроены? Можно взглянуть на медицинский атлас и увидеть, что там такая многоуровневая система, и, соответственно, природа за счет тысячелетий эволюции позаботилась о том, чтобы наши костные ткани были бы так устроены, чтобы они и осуществляли все необходимые биологические процессы, которые у нас происходят, и, с другой стороны, играли роль скелета, несущего нагрузку и перегрузки, если мы бежим или вдруг прыгаем с какой-то высоты.
Если нарисовать диаграмму, очертить область, в которой могут находиться все материалы, которые могут существовать на Земле, то есть удовлетворять второму закону термодинамики, то мы увидим некую область, где располагаются металлы, композиты, полимеры, керамика и специальные конструкции, например сотовые панели, изготовленные из алюминия или углепластика. И есть некие белые зоны, куда человечество по ряду причин еще не попало. Это зоны так называемых метаматериалов, когда одновременно создается и материал, и элемент конструкции, и тут опять уместно вспомнить о наших костях. Это зона, которая отличается удельной прочностью и удельной жесткостью - удельной по отношению к плотности, то есть это достаточно легкие материалы. Они обладают более высокими характеристиками по прочности, жесткости, чем смежные группы. И тогда возникает целое направление: мы должны создавать конструкции, в которых очень много ячеистых, пенистых, решетчатых, ажурных конструкций, в которых очень много пустоты, воздуха. И традиционные металлы, такие как титан, алюминий, различные металлические сплавы, в своем развитии движутся в сторону таких метаконструкций и даже под лозунгом, что мы так просто не сдадимся композитам, потому что за последние по крайней мере 50, может быть, даже 75 лет композиты играли роль тех материалов, которые будут все больше применяться в автомобилестроении и аэрокосмической сфере, где цена каждого килограмма, выводимого либо в воздух, либо в космос, велика.
Но появляется такое новое направление, как бионический дизайн. Почему? Дизайн - проектирование, создание одновременно материалов, технологий, конструкций. Над этим всем мы ставим оператора оптимизации. То есть мы сразу оптимизируем материал, технологию и конструкцию, чтобы получить столь же совершенный элемент конструкции, как и в природе. Более того, чрезвычайно важно идти не от материала к конструкции, а так как на рынке конкурируют именно конструкции - самолеты, автомобили, - то очень важно, какую же конструкцию мы создаем, и под нее уже создавать эти метаматериалы.
Например, если оптимально спроектировать авиационный кронштейн, который должен нести нагрузку (он закреплен в четырех точках), и получить оптимальную форму, то мы увидим, что это примерно та форма, как когда мы играем с собакой, когда пытаемся отнять у нее тряпку или палку, а она упирается четырьмя лапами, тянет канат - точно такую же форму принимает и кронштейн, используемый в авиационной технике.
___
Но в термине «бионический дизайн» есть некое лукавство. Здесь не говорится о самом серьезном, самом наукоемком и сложном математическом аппарате, который используется для создания столь совершенных конструкций. Это технология оптимизации. На самом деле под бионическим дизайном скрывается широкое, тотальное применение сложных математических наук, которое можно охарактеризовать такими терминами, как многокритериальная оптимизация, когда у нас несколько критериев. Например, мы должны создать легкую конструкцию, она должна быть экономически обоснована, то есть ее изготовление достаточно недорогое при тех или иных ограничениях по размерам, форме, прочности. Мультидисциплинарная оптимизация - это когда у нас перевязывается несколько дисциплин, например прочность и аэродинамика - это называется аэроупругость. И мы должны создать совершенный элемент конструкции пластины, которая находится в воздушном потоке. В последнее время наиболее интересный класс оптимизаций - это, конечно, топологическая оптимизация, когда мы создаем конструкцию, в которой используется материал только там, где он несет нагрузку. Ничего лишнего.
И термин «бионический дизайн» - это фактически симбиоз различных представлений. Он должен правильно отражать вид деятельности. То есть это проектирование, создание техники и конструкций нового поколения. Дальше есть очень тесная связь с теми элементами живой природы, которые мы можем наблюдать. Необязательно заниматься копированием. Это не биомиметика, не биомимикрия в чистом виде. Мы не заимствуем из живой природы - мы создаем. Для того чтобы избежать употребления перечня всех тех технологий оптимизации, о которых я говорил, как раз и было предложено использовать термин «бионический дизайн» (bionic design). Почему в последние два года к нему возник особый интерес? Это связано в первую очередь с тем, что мы наблюдаем конвергенцию двух трендов. С одной стороны, идет математическое моделирование и проектирование на основе математического моделирования, суперкомпьютерные технологии, технологии оптимизации. То есть мы наблюдаем совершенствование математических, вычислительных и инженерных наук, их стремительное развитие. С другой стороны, идет стремительное развитие аддитивных технологий, аддитивного производства. И вот на объединении, конвергенции двух этих трендов возникает синергетический эффект, когда мы можем создавать принципиально новые конструкции, и опять-таки важно подчеркнуть: это не просто новые конструкции, а это глобально конкурентоспособная продукция - конструкции, машины, различные элементы, детали нового поколения. Причем можно смело сказать: это будут конструкции столь же совершенные, что мы видим в живой природе, доходившей до этих конструкций сотнями тысяч лет эволюции.
___
Разделы спецпроекта:
Аддитивные технологии. Аддитивные технологии - это технологии, позволяющие изобретать новые способы сращивания и выращивания материалов. Сегодня такие технологии используются в промышленности и медицине. Рассказываем о последних исследованиях в области аддитивных технологий, которые проводятся в Политехе Петра Великого.
Биотехнологии. Поиск новых антибиотиков, молекулярные воспоминания бактерий, исследования аппарата биосинтеза белка и другие инновации из мира биотехнологий в материалах ученых из Политеха Петра Великого.
Возобновляемые источники энергии. Современные тренды развития возобновляемой энергетики, солнечные батареи, ветроэнергетические станции и перспективы повсеместного использования возобновляемой энергии.
Инновационная медицина. Новые взгляды на онкологическую теорию, разработка вакцины от ВИЧ-инфекции, ее клинические испытания, поиски ассоциаций генов и методы предсказания фенотипа - все это в материалах ученых-биологов из Политеха Петра Великого.
Компьютерные технологии. Все о системах 3D-моделирования, облачных вычислениях, виртуальной реальности, компьютерном моделировании и передовых промышленных технологиях.
Физика элементарных частиц. Откуда произошли химические элементы? Как зародилась жизнь в нашей Вселенной? Что такое синхротронное излучение и почему это важно? Как спектроскопия квазаров помогает ученым разгадывать тайны космоса? Об этом и другом в материалах ученых из СПбПУ.
© ПостНаука, 27 апреля 2016
Бионический дизайн / Политех Петра Великого. Компьютерные технологии
Алексей Боровков об использовании элементов живой природы в проектировании сложных технических устройств и конструкций / Спецпроект Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого «Политех Петра Великого»
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого - национальный исследовательский университет, участник программы повышения международной конкурентоспособности университетов «5-100-2020». Политех Петра Великого, основанный в 1899 году, сегодня занимает ведущие позиции в мультидисциплинарных научных исследованиях, надотраслевых технологиях и наукоемких инновациях. ©Далее у Политеха: продолжение следует...
Миниатюрный автомобиль Cirin, при создании которого использовались принципы бионического дизайна / Фото: Max Greenberg
В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого мы публикуем рассказ кандидата технических наук Алексея Боровкова, посвященный новым техническим решениям, подсмотренным у живой природы.
Алексей Боровков - кандидат технических наук, доцент, проректор по перспективным проектам, профессор кафедры "Механика и процессы управления" СПбПУ.
Бионический дизайн - Алексей Боровков
Click to view___
- Прежде всего нужно разобраться с терминологией. Дизайн - это, конечно же, проектирование, создание сложных технических устройств, конструкций, элементов машин, деталей. В термине «бионический», безусловно, звучит какая-то связь с природой. Есть такая область знаний - бионика, где как раз пытаются объединить знания, полученные при изучении живой природы, и воплотить их в технических устройствах. Если смотреть более узко, то есть такие разделы, как биомиметика, биомимикрия, когда мы подглядели то или иное решение в живой природе и попытались воплотить его при создании новых технических решений, технических систем, конструкций.
Исторически все начинается с трактата Леонардо да Винчи «Кодекс о полете птицы». Дальше мы можем видеть в архитектуре очень много тех решений, которые архитекторы подглядели в живой природе. Одним из ярких классиков органической архитектуры является Антонио Гауди. Можно увидеть у него, например, крышу, очень похожую на плавные переходы у листа в живой природе.
Многие технические решения перешли из природы. Например, застежка-липучка пришла исключительно из живой природы. И этим занимается как раз биомиметика, биомимикрия. То есть мы подглядели те или иные решения у птиц и рыб, в живой и неживой природе, флоре и фауне и, соответственно, попытались их воспроизвести.
Однако гораздо более интересной, как сейчас бы сказали, проблемой вызова является создание таких элементов конструкций, машин, для которых мы первоначально не подглядели бы решения в природе, а получили бы эти решения, а потом увидели, что природа уже примерно что-то похожее изобрела. То есть мы должны получать более совершенные (или, как в науке говорится, оптимальные) формы, оптимальные конструкции - оптимальные с точки зрения условий их эксплуатации, нагружения, долговечности и так далее.
Одним из таких ярких примеров оптимальных конструкций являются наши костные ткани. Как они устроены? Можно взглянуть на медицинский атлас и увидеть, что там такая многоуровневая система, и, соответственно, природа за счет тысячелетий эволюции позаботилась о том, чтобы наши костные ткани были бы так устроены, чтобы они и осуществляли все необходимые биологические процессы, которые у нас происходят, и, с другой стороны, играли роль скелета, несущего нагрузку и перегрузки, если мы бежим или вдруг прыгаем с какой-то высоты.
Если нарисовать диаграмму, очертить область, в которой могут находиться все материалы, которые могут существовать на Земле, то есть удовлетворять второму закону термодинамики, то мы увидим некую область, где располагаются металлы, композиты, полимеры, керамика и специальные конструкции, например сотовые панели, изготовленные из алюминия или углепластика. И есть некие белые зоны, куда человечество по ряду причин еще не попало. Это зоны так называемых метаматериалов, когда одновременно создается и материал, и элемент конструкции, и тут опять уместно вспомнить о наших костях. Это зона, которая отличается удельной прочностью и удельной жесткостью - удельной по отношению к плотности, то есть это достаточно легкие материалы. Они обладают более высокими характеристиками по прочности, жесткости, чем смежные группы. И тогда возникает целое направление: мы должны создавать конструкции, в которых очень много ячеистых, пенистых, решетчатых, ажурных конструкций, в которых очень много пустоты, воздуха. И традиционные металлы, такие как титан, алюминий, различные металлические сплавы, в своем развитии движутся в сторону таких метаконструкций и даже под лозунгом, что мы так просто не сдадимся композитам, потому что за последние по крайней мере 50, может быть, даже 75 лет композиты играли роль тех материалов, которые будут все больше применяться в автомобилестроении и аэрокосмической сфере, где цена каждого килограмма, выводимого либо в воздух, либо в космос, велика.
Но появляется такое новое направление, как бионический дизайн. Почему? Дизайн - проектирование, создание одновременно материалов, технологий, конструкций. Над этим всем мы ставим оператора оптимизации. То есть мы сразу оптимизируем материал, технологию и конструкцию, чтобы получить столь же совершенный элемент конструкции, как и в природе. Более того, чрезвычайно важно идти не от материала к конструкции, а так как на рынке конкурируют именно конструкции - самолеты, автомобили, - то очень важно, какую же конструкцию мы создаем, и под нее уже создавать эти метаматериалы.
Например, если оптимально спроектировать авиационный кронштейн, который должен нести нагрузку (он закреплен в четырех точках), и получить оптимальную форму, то мы увидим, что это примерно та форма, как когда мы играем с собакой, когда пытаемся отнять у нее тряпку или палку, а она упирается четырьмя лапами, тянет канат - точно такую же форму принимает и кронштейн, используемый в авиационной технике.
___
Но в термине «бионический дизайн» есть некое лукавство. Здесь не говорится о самом серьезном, самом наукоемком и сложном математическом аппарате, который используется для создания столь совершенных конструкций. Это технология оптимизации. На самом деле под бионическим дизайном скрывается широкое, тотальное применение сложных математических наук, которое можно охарактеризовать такими терминами, как многокритериальная оптимизация, когда у нас несколько критериев. Например, мы должны создать легкую конструкцию, она должна быть экономически обоснована, то есть ее изготовление достаточно недорогое при тех или иных ограничениях по размерам, форме, прочности. Мультидисциплинарная оптимизация - это когда у нас перевязывается несколько дисциплин, например прочность и аэродинамика - это называется аэроупругость. И мы должны создать совершенный элемент конструкции пластины, которая находится в воздушном потоке. В последнее время наиболее интересный класс оптимизаций - это, конечно, топологическая оптимизация, когда мы создаем конструкцию, в которой используется материал только там, где он несет нагрузку. Ничего лишнего.
И термин «бионический дизайн» - это фактически симбиоз различных представлений. Он должен правильно отражать вид деятельности. То есть это проектирование, создание техники и конструкций нового поколения. Дальше есть очень тесная связь с теми элементами живой природы, которые мы можем наблюдать. Необязательно заниматься копированием. Это не биомиметика, не биомимикрия в чистом виде. Мы не заимствуем из живой природы - мы создаем. Для того чтобы избежать употребления перечня всех тех технологий оптимизации, о которых я говорил, как раз и было предложено использовать термин «бионический дизайн» (bionic design). Почему в последние два года к нему возник особый интерес? Это связано в первую очередь с тем, что мы наблюдаем конвергенцию двух трендов. С одной стороны, идет математическое моделирование и проектирование на основе математического моделирования, суперкомпьютерные технологии, технологии оптимизации. То есть мы наблюдаем совершенствование математических, вычислительных и инженерных наук, их стремительное развитие. С другой стороны, идет стремительное развитие аддитивных технологий, аддитивного производства. И вот на объединении, конвергенции двух этих трендов возникает синергетический эффект, когда мы можем создавать принципиально новые конструкции, и опять-таки важно подчеркнуть: это не просто новые конструкции, а это глобально конкурентоспособная продукция - конструкции, машины, различные элементы, детали нового поколения. Причем можно смело сказать: это будут конструкции столь же совершенные, что мы видим в живой природе, доходившей до этих конструкций сотнями тысяч лет эволюции.
___
Разделы спецпроекта:
Аддитивные технологии. Аддитивные технологии - это технологии, позволяющие изобретать новые способы сращивания и выращивания материалов. Сегодня такие технологии используются в промышленности и медицине. Рассказываем о последних исследованиях в области аддитивных технологий, которые проводятся в Политехе Петра Великого.
Биотехнологии. Поиск новых антибиотиков, молекулярные воспоминания бактерий, исследования аппарата биосинтеза белка и другие инновации из мира биотехнологий в материалах ученых из Политеха Петра Великого.
Возобновляемые источники энергии. Современные тренды развития возобновляемой энергетики, солнечные батареи, ветроэнергетические станции и перспективы повсеместного использования возобновляемой энергии.
Инновационная медицина. Новые взгляды на онкологическую теорию, разработка вакцины от ВИЧ-инфекции, ее клинические испытания, поиски ассоциаций генов и методы предсказания фенотипа - все это в материалах ученых-биологов из Политеха Петра Великого.
Компьютерные технологии. Все о системах 3D-моделирования, облачных вычислениях, виртуальной реальности, компьютерном моделировании и передовых промышленных технологиях.
Физика элементарных частиц. Откуда произошли химические элементы? Как зародилась жизнь в нашей Вселенной? Что такое синхротронное излучение и почему это важно? Как спектроскопия квазаров помогает ученым разгадывать тайны космоса? Об этом и другом в материалах ученых из СПбПУ.
© ПостНаука, 27 апреля 2016